一、離散制造企業信息化建設的一些現狀

　　離散制造企業普遍建設有ERP、CAPP等企業管理及產品設計軟件，ERP系統解決了車間生產計劃問題,但對車間執行計劃完成情況的采集主要還是依靠人員手動錄入的方式,不僅效率低，易出錯，而且時效性差，在車間生產管理和控制方面存在短板。作為ERP功能延伸的MES，絕大多數離散制造型企業想通過建設車間制造執行系統（MES）來解決車間生產調度和控制存在的問題，但在建設過程中，很多企業面臨一系類瓶頸問題，具有代表性的也是普遍存在的就是離散制造車間生產過程中的實時數據無法及時、準確的采集，造成了生產部門就不能及時、準確的得到產品加工數量，不能自動獲取設備的運行狀態及運行參數，無法準確、科學地制定生產計劃，不能準確分析設備利用率、產品質量等等一系類問題，使得車間制造執行系統缺乏有效的數據支持，制造執行成為空中閣樓。一個基于車間信息化系統生產過程的場景我想是這樣的，企業從外部獲得產品生產訂單后，生產計劃管理部門根據現有資源安排相應的部門做好準備工作，包括物料準備、生產工藝編制、產品二、三維建模、NC加工程序編寫等，技術準備完成后，計劃部門需要根據當前的物料狀態、設備狀態及人員等信息，制定生產計劃任務單下發相關車間，生產管理人員結合該車間的物料、人員、設備等生產資料情況，將具體制造任務分解后下發給班組或個人，在生產過程中，車間生產實時狀態數據及時反饋車間管理人員，車間管理人員在辦公室就可以實時獲取當前車間運行狀態。針對生產異常情況，如設備異常、質量異常、物料異�？梢詫崟r反饋給相關部門或個人，及時解決，以保證生產高效順利進行。這樣的場景應該是每個離散制造企業信息化建設都想達到的基本目標，完成這一過程，關鍵在于對人員、物料、設備、質量等信息的實時采集和監測，但事與愿違，大部分離散制造企業對數據采集存在困難。

　　二、離散制造企業數據采集困難原因分析

　　1.生產數據多而散

　　離散制造企業開始從傳統生產方式向多品種，小批量敏捷制造生產模式轉變，各種產品涉及不同的物料、設備、工具及文檔等資料，這些資料離散分布在企業中，需要采集的生產數據種類多，生產數據采集過程相對復雜。

　　2.設備種類多，年代跨度大，接口不統一

　　主要表現有，一是離散制造企業生產設備種類繁多，控制器品牌及接口協議不統一；二是大多數設備尤其是老舊設備與信息化系統難以甚至無法集成；三是高精尖端設備大部分依賴進口，接口不開放；四是生產現場大量的自動化生產設備，大多采用PLC來進行控制，設備自身存在大量生產及設備狀態信息，理論上只要能與這些自動化控制器通信，就能準確采集到需要的信息，但是實際無法獲取信息寄存器存儲位置和數據含義，給數據采集工作增加了難度。

　　針對以上問題，制定一套實時，有效并符合離散制造車間特點的數據采集方案，實現制造車間生產的信息化、透明化至關重要。AGV調度有專門的TCS調度系統進行調度，一般不會由MES系統直接調度，MES可以通過與TCS或WMS集成，進行調度控制。離散車間數據采集我覺得是建立在物聯網三層網絡架構基礎之上的。

　　三層網絡架構：感知層、網絡層、應用層。將車間實時采集的生產過程數據，通過企業局域網進行數據傳輸，應用層通過數據將制造車間過程可視化，本次主要討論離散制造企業基于感知層的生產過程數據如何被采集。

　　三、解決數據采集難點的辦法

　　車間生產過程數據包括人、機、料、環、測等要素。首先說對人員及物料信息采集，通過對人員、物料及其狀態實時采集，一方面可以使車間管理人員及時、準確的掌握車間生產進度情況，通過與原計劃進行比較，對訂單任務進行實時再分配，保證生產準時完成，另一方面方便企業管理人員實時了解企業內部生產運行情況，為管理層制定生產計劃提供可靠的數據支持。在自動化工位，一般不存在人員信息的采集，而物料及其狀態一般可以通過采集該工位設備數據獲��；在人工工位，對員工信息、物料信息、加工狀態信息的采集，我們采用在人工工位部署一體機、掃碼槍及RFID的方式進行采集，為每個操作人員分配二維碼，同時為待加工工件分配一個RFID標簽，存儲對應產品唯一編碼信息，當然人員信息也可以通過RFID采集。當操作員進入工位操作時需在電子看板（一體機）上通過掃碼槍掃人員二維碼登入，當待加工工件進入工位時，RFID讀寫設備提取工件電子標簽內容，電子看板采集并顯示，產品加工完成進入下一工位，或進入線邊庫存區時，一方面追蹤物料當前位置，另一方面完成上一工位的報工。

　　每隔幾百毫秒對關鍵生產設備采集一次數據，利用這些數據可以對設備數據進行統計分析，包括設備開機率、主軸運轉率、主軸負載率、運行率、故障率、生產率、設備綜合利用率(OEE)、零部件合格率、質量百分比等。通過對這些數據進行深入的挖掘與分析，為企業相關人員正確決策提供數據支撐，關鍵設備一旦發生故障，如果不及時處理，不但造成巨大的經濟損失，有可能還會引發安全事故，可以通過設備運行狀態、巡檢及檢維修紀錄等信息，找到設備變化的規律，建立設備故障數學模型，對設備潛在的故障進行預警�？偟膩碇v，設備數據采集有四種方式，分別是直接聯網通信采集，通過加裝智能網關、協議轉換器采集，通過遠程IO進行采集和內嵌客戶端采集。這四種采集方式的應用場景，我已在之前文章中描述過，現在我把他貼過來，供大家交流。

　　第一種直接聯網通信采集。針對協議開放且為以太網接口類設備，可以采用直接與設備聯網通信的方式采集，可以實現對設備開機、關機、運行、暫停、報警信息、加工數量及運行參數的采集，典型設備有FANUC、西門子等數控機床。

　　第二種加裝智能網關，協議轉換器采集。針對有通行接口（以太網、RS485、RS232、CAN等），但協議不開放的設備，可以通過加裝明匠牛頓1.0智能網關進行采集，該智能網關內嵌牛頓1.0操作系統，內含協議容器，可以將私有協議轉換成標準的工業總線協議與采集系統集成。

　　第三種遠程IO采集，針對沒有控制器也沒有通信接口的設備，可以通過部署遠程IO進行設備運行狀態采集器，通過遠程IO的方式可以實時采集設備的開機，關機，運行，報警等信息。明匠遠程IO，是工業級遠程采集與控制模塊，提供了無源節點的開關量輸入采集，通過對設備電氣系統的分析，確定需要的電氣信號，連接入遠程IO模塊，由模塊將電氣系統的開關量、模擬量轉化成網絡數據，通過車間局域網傳送給數據采集服務器。

　　第四種內嵌客戶端采集。針對基于PC機上層采集軟件的單機且對外不開放接口的設備，可以通過在PC機上內嵌客戶端進行采集，同時將采集信息通過車間局域網推送服務器。

　　有些產品的生產車間或倉庫需要在一定的環境條件（溫度、濕度、清潔度等）下生產或儲存，才能保證產品質量。由于離散制造車間環境復雜，環境監測點多而且離散，有線網絡和供電部署實施困難且不易擴展。針對這一問題，我們研發了成本低，組網簡單，功耗低及容量大，基于ZigBee的采集模塊。該模塊可以采用鋰電池供電，同時可以獲取溫濕度等傳感器信號，這些信號通過采集模塊處理后，可以通過Zigbee網關推送給數據采集服務器。

　　最后講測測試數據，關注質量，嚴格來說檢測設備屬于設備的一種，采集可以參考設備數據采集。有些產品由于考慮生產節拍或缺乏有效自動化檢測手段，只能通過人工的方式檢測，其檢測異常只能人工通過一體機選擇相應的問題的方式采集。

　　以下是作者與讀者之間的精彩問答：

　　問：若集生產制造、研發、銷售為一體的企業，想要在自己內部組建一支為企業智能制造服務的團隊，其從事企業基礎數據采集這一塊的人才需要具備怎樣的知識結構才能勝任呢？

　　答：這些協議機床用的比較多，以后OPC-UA相對更有發展，我個人認為從事數據采集工作人員，應具備電子、通信、計算機、電氣及強電相關知識，需要有扎實軟件，硬件、數據庫及網絡知識，軟件包括以C為代表的嵌入式軟件及上位機軟件（C#,C++等），熟悉各種硬件接口及工業現場總線協議，具備電氣自動化基礎，具有一定的設備及數據分析能力。

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　　問：離散制造型企業和流程制造型企業，在智能制造轉型升級的過程中，在數據采集這一塊的難點有哪些，如何解決這些難點呢？以及常用的數據采集方法有那些呢？能否舉些實際案例來說明。

　　答：離散制造企業生產設備種類多、年代跨度大、接口和協議不統一，有硬件接口的設備，協議不開放；本身自帶采集系統的設備，軟件接口封閉，不支持第三方軟件集成；甚至有些設備連接口都沒有，這是離散制造企業數據采集面臨的實際問題和難點。解決這一問題，我們自主研發了牛頓平臺，在這平臺上開發一系列的數據采集產品，包括牛頓1.0智能網關、串口服務器、協議轉換器、遠程IO、效能管理等。

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　　問：對于不開放的機床如何采集數據？

　　答：針對有硬件接口，但協議不開放的設備，我們采用牛頓1.0智能網關采集，將設備私有協議轉換成開放的工業以太網協議，提供上層系統；牛頓1.0智能網關，內嵌牛頓1.0操作系統，內含協議容器，包含500多種設備私有協議，目前還在增加中。針對有非以太網硬件接口，且協議開放的設備，我們采用協議轉換器完成硬件接口轉換同時提供開放的工業以太網協議提供上層系統，無硬件接口類設備，我們根據需求，采用遠程IO的方式或者加裝傳感器方式采集。還有些自帶采集系統，但系統接口不對外開放的設備或設備單元，采用在該系統內嵌采集軟件的方式采集。最簡單的，以太網接口、軟件接口或協議開放類設備，上層采集系統直接采集。文章中我提到了針對焊機采集的兩種方式：加裝智能網關和加裝傳感器的方式，下面的案例是針對機床采用直接采集+加裝傳感器方式采集，在每一臺機床旁部署一臺一體機，一體機中部署明匠DNC系統，通過以太網直接與機床通信采集數控設備的運行參數，零件加工過程中機床主軸的震動情況與產品質量存在一定的關系，通過在機床主軸上加裝震動傳感器采集主軸震動情況判定加工零件的質量。下圖是我們針對FANUC機床開發的采集軟件。

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　　問：相對于流程制造企業，離散制造企業的車間執行過程中的生產數據采集有哪些特點？

　　答：離散制造相較流程制造自動化及信息化程度低，同時工藝復雜多變，采集的生產數據種類多，同時設備種類多，年代跨度大，接口不統一，采集相對復雜。同時離散制造車間環境復雜，現場數據采集實施需要考慮的網絡、布線、安裝等問題。

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　　問：離散制造企業產品零部件加工工藝復雜、質量要求高，質檢工作是生產的重要組成部分，需要對質量過程進行全面管理，質量數據采集是數踞采集的重要組成部分。關于質量數據采集這方面，有哪些數據采集方式？

　　答：產品質量檢測的方式主要有兩種，一種是采用儀表儀器及檢測專機，另一種采用人工檢測判斷方式。儀表儀器及檢測專機其實也屬于設備類，具體采集方法及方式同設備數據采集，有些產品由于考慮生產節拍或缺乏有效自動化檢測手段，只能通過人工的方式檢測，其檢測異常可以人工通過一體機選擇相應的問題的方式采集。另外有些關鍵設備加工時的運行參數和產品質量息息相關，如：注塑機注塑時的溫度、壓力、時間、速度等參數；焊機的輸出電流、電壓、保護氣體流量及送絲速度等，可以通過對設備運行時的關鍵參數與產品質量分析，優化生產工藝，提高產品質量。

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　　問：數據采集是為了更好地指導生產，那么明匠在數據挖掘及預測方面是否有所布局？

　　答：在數據挖掘方面，明匠為客戶建設有車間私有云平臺，通過挖掘采集到的產品品質信息和生產工藝信息，優化生產工藝，提高產品品質。

　　在數據預測方面，明匠在客戶車間私有云平臺上，建立設備數學模型，根據采集到的數據做預防性維護，降低設備故障率，提高生產效率。

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　　問：可否介紹下對OPC-UA、MTConnect的運用設想？

　　答：我們主推的應用架構是：目前我們事先了將所有的標準或者非標準協議統一轉換成OPC UA，牛頓1.0網關，對于機床類的應用我們現在在做MTConnect的應用試點。

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　　問：能不能簡單介紹一下智能網關和普通的協議適配器的區別？

　　答：智能網關與普通協議轉換器的區別，1.智能網關硬件接口豐富、集成協議種類多，物理接口協議可選擇、可配置。2.普通協議轉換器接口單一，轉換協議定制，一般適用于協議開放但非以太網接口的場合。

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　　問：針對國外某些智能機床廠商不提供接口，現在明匠也是有辦法解決的了？

　　答：目前咱們國內廠家主流的數控系統：i5、西門子、Fanuc、三菱、MAZAK、大偎，這些加在一起市場占有率59%以上，這些很多都不開放接口，我們都可以支持了，其他系統陸續增加中，一直在路上。

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